一種鋼包底吹氮增氮的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合金的冶煉方法，尤其是一種鋼包底吹氮增氮的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會的進步和技術(shù)的發(fā)展，用戶對鋼的強度、韌性、加工性能等要求愈來愈 高，部分高強鋼利用氮化合金強化鋼的性能，鋼的成品對氮含量有一定要求，使得鋼中氮含 量控制成為這些鋼種冶煉的關(guān)鍵技術(shù)。在煉鋼過程中，對鋼水增氮可以采用鋼包頂吹氮、 底吹氮或添加氮化合金等方式進行。鋼包頂吹氮需要額外增加頂吹噴槍，使用過程中由于 鋼水溫度高、噴槍壽命低、氮收得率不穩(wěn)定、氮含量不易命中目標(biāo)而很少被采用。添加氮 化合金雖可保證高的氮元素收得率，但是生產(chǎn)成本相對較高。例如，公開號CN103146875A 的中國專利公開的一種常壓下冶煉高氮鋼的方法，其冶煉It鋼需要加入25~35kg氮化 錳，噸鋼合金成本高達175~145元/t鋼。鋼包底吹氮增氮處理成本比氮化合金低，但 常規(guī)底吹氮增氮方法氮收得率低且不穩(wěn)定，較難命中鋼種氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制目標(biāo)。例如，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本高命中率及操作簡單鋼包底吹氮增 氮的方法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的方法工藝為：（1)根據(jù)式（I)、（II)、（III) 計算氮分壓PN2;
[0008] 式（I)、（II)、（III)中：
[0009] Pe-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa;
[0010] [%N]-目標(biāo)氮含量，wt%;
[0011] KN-氮溶解的平衡常數(shù)；
[0012] fN-氮的活度系數(shù)；
[0013] T-鋼水溫度，K;
[0014] -元素j對氮的相互作用系數(shù)，系數(shù)范圍為-0. 048~+0. 048;
[0015] [%j]-鋼液中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Wt%;
[0016] ⑵根據(jù)式（IV)計算底吹氣體總壓P總；
[0017] P總p鋼gh+P壓損 (IV)
[0018] 式（IV)中：P壓損一管路及透氣磚內(nèi)壓力損失，0? 3~0? 5MPa ;
[0019] P鋼一鋼液的密度（7. 8X103)，kg/m3;
[0020] g-重力加速度（9. 8)，m/s2;
[0021 ]h-鋼包中鋼液的深度，m;
[0022] (3)根據(jù)式（V)計算氬氣分壓PAr;
[0023] PAr= P總-f*N2 ( V )
[0024] 式（V)中：P總為底吹氣體總壓，kPa ;
[0025] (4)按上述氮分壓PN2和氬氣分壓PA#置氮氣和氬氣的壓力，同時進行鋼包底吹。
[0026] 本發(fā)明所述步驟（4)中，氬氣和氮氣的底吹流量相同。所述氬氣和氮氣的底吹流 量均為 180 ~220Nl/min。
[0027] 本發(fā)明所述步驟（2)中底吹氣體總壓P總的計算公式為式（VI)，
[0028]P總=1 ? 2 (P鋼gh+P壓損） (VI)〇
[0029] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明通過對鋼包底吹氮過程中氬氣 和氮氣混合氣體中氮分壓的控制，可精確實現(xiàn)對含氮鋼種進行增氮，節(jié)約高成本氮化合金 的使用，避免了分段底吹氮氣增氮控制精度偏低的弊端；既能避免高成本氮化合金的加入， 又能保證很高的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)命中率；具有低成本、高命中率、操作簡單的特點。
【具體實施方式】
[0030] 本發(fā)明的原理：鋼液中的氮是以氮離子的形式存在。但與鋼液中的碳相似，采用氮 原子來描述鋼液中的氮，氮在鋼液中的溶解度可用Sivert平方根定律表示，見式（A)、（B);
[0033]其中，
[0034] [%N]-目標(biāo)氮含量，即鋼液中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%;
[0035] PN2-氮分壓，kPa ;
[0036]Pe-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa ;
[0037]KN-氮溶解的平衡常數(shù)；
[0038] fN-氮的活度系數(shù)。
[0039] 采用Pehlke等人的測定的值，見式（II):
[0040]
[0041] 式中：T一鋼液的溫度，K。
[0042] 考慮到鋼中合金元素不是很高，采用一階相互作用系數(shù)來計算合金元素對fN的影 響，見式（III);
[0043]
[0044]式中：
[0045]T-鋼液的溫度，K;
[0046] 4 -元素活度相互作用系數(shù)，系數(shù)范圍為_〇. 〇48~+0. 048;
[0047] [%j]-鋼液中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%。
[0048] 在鋼種成分給定和精煉溫度確定條件下，鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[%N]主要與氮分壓PN2 有關(guān)，因此，在LF精煉過程中，可以通過底吹氮氣并控制一定的氮分壓來對鋼中的氮含量 實施有效控制；氮分壓PN2計算公式見式（I);
[0049]
[0050] 根據(jù)理想氣體定律，鋼中的各氣體分壓強之和等于總壓強，即式（D)所示；對于僅 采用氮氣或氬氣作為底吹氣體的LF爐，則吹氣管路中的計算公式見式（E):
[0051] P,& = PH2+PN2+Pc〇+PAr+*** (〇)；
[0052] p總=PN2+PAr (E)。
[0053] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0054] 實施例1:本鋼包底吹氮增氮的方法采用下述具體工藝。
[0055] 含氮鋼成分如表1所示，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0056]表1:含氮鋼的成分（wt% )
[0057]
[0058] 根據(jù)上述式（I)、（II)、（III)以及表1中的成分進行計算，計算過程見式(1-1)、 (1-2)、 （1-3):
[0059] PNi = P°x1 〇21ls["/nA]A' ''1 = 101.325x1 〇2x( li!(UK,7 ' -rA2 '=11MPa= 0.0119 MPa < 1 >
[0060] 鋼液深度為2. 8m，P壓損一般為0?4MPa，則：
[0061 ] P總=1. 2 (p鋼gh+P壓損）=0? 73MPa(1-2)
[0062]PAr=P總-PN2=0?7181MPa (1-3)
[0063] 按要求將氮氣及氬氣壓力調(diào)整至上述計算值，并將流量均設(shè)置為200Nl/min，進行 底吹氮合金化；連鑄終點鋼中氮的質(zhì)量滿足工藝要求，為〇. 〇〇75wt%。
[0064] 實施例2:本鋼包底吹氮增氮的方法采用下述具體工藝。
[0065]含氮鋼成分如表2所示，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0066] 表2:含氮鋼的成分（wt% )
[0067]
[0068] 根據(jù)上述式（I)、（II)、（III)以及表2中的成分進行計算，計算過程見式（2-1)、 (2-2)、 （2-3):
[0069]
[0070] 鋼液深度為2. 9m，P壓損一般為0? 4MPa，則：
[0071] P總=1. 2 (P鋼gh+P壓損）=0? 74MPa (2-2)
[0072]PAr =P總-PN2= 0? 7164MPa (2-3)
[0073] 按要求將氮氣及氬氣壓力調(diào)整至上述計算值，并將流量均設(shè)置為200Nl/min，進行 底吹氮合金化；連鑄終點鋼中氮的質(zhì)量滿足工藝要求，為〇. 〇〇68wt%。
[0074] 實施例3:本鋼包底吹氮增氮的方法采用下述具體工藝。
[0075] 含氮鋼成分如表3所示，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0076]表3:含氮鋼的成分（wt% )
[0077]
[0078] 根據(jù)上述式（I)、（II)、（III)以及表3中的成分進行計算，計算過程見式(3-1)、 (3-2)、 （3-3):
[0079]
[0080] 鋼液深度為2. 8m，P壓損一般為0? 4MPa，則：
[0081] P總一1. 2 (P鋼gh+P壓損）一0? 73MPa (3-2)
[0082] PAr=P總-PN2= 0? 6917MPa (3-3)
[0083] 按要求將氮氣及氬氣壓力調(diào)整至上述計算值，并將流量均設(shè)置為200Nl/min，進行 底吹氮合金化；連鑄終點鋼中氮的質(zhì)量滿足工藝要求，為〇. 〇〇87wt%。
【主權(quán)項】
1. 一種鋼包底吹氮增氮的方法，其特征在于，其方法工藝為：（1)根據(jù)式（I)、（II)、 (III)計算氮分壓PN2; 式（I)、（II)、（III)中：Pe -標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa; [%N] -目標(biāo)氮含量，wt% ; 心一氮溶解的平衡常數(shù)；fN-氮的活度系數(shù)； T-鋼水溫度，K; -元素j對氮的相互作用系數(shù)，系數(shù)范圍為-0. 048~+0. 048; [%j] -鋼液中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt% ; (2) 根據(jù)式（IV)計算底吹氣體總壓P總； P總多p鋼gh+P壓損(IV) 式（IV)中：P壓損一管路及透氣磚內(nèi)壓力損失，0? 3~0? 5MPa; P鋼一鋼液的密度（7. 8X103)，kg/m3;g-重力加速度（9. 8)，m/s2; h-鋼包中鋼液的深度，m; (3) 根據(jù)式（V)計算氬氣分壓PAr; fV=P總-?N2 (V) 式（V)中：P總為底吹氣體總壓，kPa; (4) 按上述氮分壓PN2和氬氣分壓P 置氮氣和氬氣的壓力，同時進行鋼包底吹。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述步驟（4)中， 氬氣和氮氣的底吹流量相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋼包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述氬氣和氮氣 的底吹流量均為180~220Nl/min。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種鋼包底吹氮增氮的方法，其特征在于：所述步驟 (2)中底吹氣體總壓？,&的計算公式為式（VI)， P總=1. 2 (P鋼gh+P壓損）(VI)〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋼包底吹氮增氮的方法，其方法工藝為：（1）根據(jù)式（Ⅰ）計算氮分壓PN2；（2）根據(jù)式（Ⅱ）計算底吹氣體總壓P總；（3）根據(jù)式（Ⅲ）計算氬氣分壓PAr；（4）按上述氮分壓PN2和氬氣分壓PAr設(shè)置氮氣和氬氣的壓力，同時進行鋼包底吹。本方法通過對鋼包底吹氮過程中氬氣和氮氣混合氣體中氮分壓的控制，可精確實現(xiàn)對含氮鋼種進行增氮，節(jié)約高成本氮化合金的使用，避免了分段底吹氮氣增氮控制精度偏低的弊端；既能避免高成本氮化合金的加入，又能保證很高的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)命中率；具有低成本、高命中率、操作簡單的特點。
【IPC分類】C21C7/072
【公開號】CN105112609
【申請?zhí)枴緾N201510526783
【發(fā)明人】董大西, 楊鋒功, 胡云生, 張永, 戰(zhàn)東平, 邱國興, 姜周華
【申請人】石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年8月25日